Hiệu ứng vật lý kỳ lạ được khám phá ra từ những cốc trà tầm thường

Có người đã nói rằng lời báo hiệu thực sự cho một phát kiến khoa học chẳng phải là "Eureka!" mà chính là "Hả... đểu thật...".

Điều này rất đúng với trường hợp của Sebastian Bianchi: một tách trà bình thường đã dẫn ông tới những điều rất thú vị, và phản trực giác về sức căng bề mặt của nước.

Khi ông còn là một sinh viên khoa vật lý tại Đại học Havana tại Cuba năm 2008, Bianchi để ý thấy vài điều khá lạ lùng khi pha một cốc mate – một loại trà phổ biến tại Nam Phi. Để pha mate thì ta cần đổ nước nóng vào một cốc chứa lá mate và để chúng ngấm dần. Thường thì, mọi thứ luôn chảy xuôi dòng, thế nhưng chẳng hiểu sao ông lại thấy một vài lá mate xuất hiện trong ấm nước. Bằng cách nào đó, chúng đã chạy ngược dòng lên ấm nước.

Bianchi đã tìm tới một cố vấn tại hội đồng vật lý Havana, Ernersto Alshuler, người đã giúp ông thực hiện một vài thí nghiệm, cho dù họ chưa bao giờ công bố kết luận của mình.

Thí nghiệm bao gồm hai thùng nước đặt cạnh nhau, một thùng sẽ đặt cao hơn thùng kia.

Thí nghiệm bao gồm hai thùng nước đặt cạnh nhau, một thùng sẽ đặt cao hơn thùng kia. Hai thùng nước được nối với nhau qua một đường ống, từ đó nước có thể chảy từ thùng cao hơn xuống thùng thấp hơn. Sau đó họ thả lá trà mate và hạt phấn vôi lên mặt nước ở thùng thấp hơn. Và rồi, lá trà và hạt phấn đã tìm được đường đi lên thùng cao hơn:

Lá trà không hề bỏ qua trọng lực; đơn giản là chúng đang phản ứng với động lực học phức tạp của chất lỏng. Trong một báo cáo đăng trên Proceedings of the Royal Society, các nhà vật lý đã kết luận rằng hành vi này là kết quả tổng hợp từ nhiều yếu tố: cụ thể là, sự khác biệt trong sức căng bề mặt nước và dòng xoáy.

Thủ phạm chính là hiệu ứng Marangoni, được khám phá năm 1855 bởi James Thomson – chính là anh trai của Lord Kelvin.

Đây cũng là một khoảnh khắc "hay ho" khác: Thomson nhìn thấy những giọt và dòng nước ở thành ly rượu vang khi đang ăn tối và rồi không hiểu vì sao điều này lại xảy ra – đặc biêt là rượu vang với nồng độ cồn cao. Rượu vang gần như chỉ có cồn và nước, và cồn có sức căng bề mặt nhỏ hơn nước. Vì thế nước sẽ có xu hướng chảy ra khỏi túi chất lỏng có nồng độ cồn cao, chỉnh bởi một chút khác biệt ở sức căng bề mặt.

Và rồi sự mao dẫn xảy ra, ở đó sức căng bề mặt sẽ kéo chất lỏng lên theo một kênh hẹp (hay vách của bình chứa, như ly rượu) cho tới khi nó đủ nặng để chảy ngược lại. Thực vật dựa vào mao dẫn để chuyển nước và chất dinh dưỡng từ thân cây tới lá. Nó cũng xuất hiện ở "hiệu ứng bấc" của đèn dầu: dầu sẽ chạy ngược lên trên theo bấc để lửa cháy đều và chậm rãi.

Với rượu vang (hay bất cứ đồ uống có độ cồn cao nào), chất lỏng sẽ va vào thành ly và bắt đầu chạy lên, nhờ mao dẫn, tạo thành một lớp mỏng. Cả rượu và nước đều sẽ bốc hơi trong quá trình này – trừ việc chúng bốc hơi ở tốc độ khác nhau. Điều này sẽ khiến nồng độ cồn ở khu vực đó giảm xuống, sức căng bề mặt tăng lên, vì thế rượu sẽ chạy lên nhiều hơn, tạo thành giọt và cuối cùng đủ nặng để chảy xuống thành dòng.

Điều tương tự cũng xảy ra với lá trà và hạt phấn, kết hợp với việc chúng sẽ lái theo dòng xoáy được hình thành. Ta đều thấy xoáy nước tạo ra khi khuấy sữa, thổi khói, hay khi rút nước từ chậu rửa.

Rượu vang gần như chỉ có cồn và nước, và cồn có sức căng bề mặt nhỏ hơn nước.

Đây chẳng phải hiện tượng gì mới, nhưng ngạc nhiên ở chỗ chúng có thể kết hợp lại để tạo ra đủ lực đẩy lá trá trôi ngược dòng. Kết luận của các nhà vật lý cũng có thể giải thích cho việc chất thải đôi khi chạy ngược dòng trên một con song chảy chậm.

Khoảnh khắc "hay ho" của Bianchi cũng không phải là lần đầu một thử nghiệm vật lý được lấy cảm hứng từ tách trà. Vài năm trước, Daniel Ives, một sinh viên cơ khí tại Colorado, đã thực hiện một thí nghiệm để tìm hiểu xem lá trà dâm bụt ngấm nước như thế nào. Anh đặt một cốc nước nóng phía trước một tờ giấy trắng và thả vài lá trà lên mặt nước, sau đó chụp hình lại từng bậc của quá trình ngấm nước.

Ives thấy rằng lá trà hút nước và nở ra, và lượng ẩm hút được đó kéo những hạt có thể tan trong nước ra khỏi trà, để chúng hòa vào nước, dần khuếch tán ra ngoài, và đi xuống, cho tới khi nước trà đạt tới độ cân bằng. Lá trà, dày đặc hơn nước, sẽ chịu lực đẩy lên tương đương với khối lượng nước mà chúng chiếm chỗ, theo nguyên lý Archimedes – chính là khoảnh khắc "Eureka!" đầu tiên. Nhưng trọng lực cũng đồng thời kéo các hạt trong lá trà xuống. Tuy chỉ là một hiệu ứng nhỏ, nhưng nó cũng đủ khiến cho nước đã bão hòa với những hạt thoát ra dần chìm xuống đáy cốc.

Ngày nào đó, Ives và những nhà vật lý khác có thể cùng nhau thử nghiệm pha một cốc trà hoàn hảo. Còn giờ, chẳng phải rất hay ho khi ta có thể biết được vài điều thú vị về tự nhiên chỉ từ một cốc trà đơn giản.